(57)【要約】【課題】回転軸が同心に配置された２つの可動子をそれぞれ独立に制御可能な小型かつ低コストの電動機を提供すること。【解決手段】電動機は、複数の永久磁石で構成された磁極列を有する第１可動子と、第１電機子列を有する第１固定子と、コア部と該コア部よりも透磁率が低い部分が前記所定方向に交互に配置された、磁極列と第１電機子列との間に位置する第２可動子と、第２電機子列を有する第２固定子とを備える。第１電機子磁極の数とコア部の数と永久磁石の数と第２電機子磁極の数との比が、１：（１＋ｍ）／２：ｍ：ｍ（但し、ｍ≠１．０）に設定される。第１可動子は、隣接する永久磁石の間の所定方向の隙間に軟磁性体を有する。複数の永久磁石の各々は、第２固定子に電力を供給した際に発生する第２電機子磁極からの磁束の一部が第１可動子の互いに隣り合う永久磁石の間を透過して第１固定子の第１電機子列に作用するよう、径方向断面における所定方向の長さが設定される。【選択図】図４
2013198326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に並んだ複数の永久磁石で構成された磁極列を有する第１可動子と、
前記所定方向に並んだ複数の第１電機子を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第１電機子に発生する第１電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第１電機子列を有する第１固定子と、
前記磁極列と前記第１電機子列との間に位置し、前記第１可動子の回転軸と同心の回転軸を有し、コア部と該コア部よりも透磁率が低い部分が前記所定方向に交互に配置された第２可動子と、
前記所定方向に並んだ複数の第２電機子を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第２電機子に発生する第２電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第２電機子列を有する第２固定子と、を備え、
前記第１電機子磁極の数と前記コア部の数と前記永久磁石の数と前記第２電機子磁極の数との比が、１：（１＋ｍ）／２：ｍ：ｍ（但し、ｍ≠１．０）に設定され、
前記第１可動子は、隣接する永久磁石の間の前記所定方向の隙間に軟磁性体を有し、
前記複数の永久磁石の各々は、前記第２固定子に電力を供給した際に発生する前記第２電機子磁極からの磁束の一部が前記第１可動子の互いに隣り合う永久磁石の間を透過して前記第１固定子の前記第１電機子列に作用するよう、径方向断面における前記所定方向の長さが設定されたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機であって、
前記第１可動子は、当該第１可動子の外形を形成する軟磁性体の基体と、前記複数の永久磁石とを有し、
前記複数の永久磁石の各々は、前記基体の中に前記所定方向に並んで配置され、
隣接する永久磁石間の隙間の寸法は、前記第１可動子の前記第２ステータ側の面から前記永久磁石の内周側角部までの径方向の寸法よりも大きく、かつ、前記第１可動子の前記第１固定子側の面から前記永久磁石までの径方向の寸法よりも大きいことを特徴とする電動機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電動機の制御装置であって、
前記第２固定子に電力を供給した際に生じる位相のずれと同位相だけ位相をずらして前記第２固定子の前記第２電機子を通電することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の電動機の制御装置であって、
前記第１固定子における鎖交磁束が弱まる方向の磁束が生じるよう前記第２固定子の前記第２電機子を通電することを特徴とする電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸が同心に配置された２つの可動子を有する電動機及びその制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転軸が同心に配置された２つのロータとステータが径方向に配置された電動機が知られている。当該電動機では、ステータが発生する回転磁界が作用して回転する２つのロータが各々異なる回転軸を有する。
【０００３】
特許文献１には、上記電動機を用いたハイブリッド車両１が開示されている。図１５に示すように、特許文献１に開示されたハイブリッド車両１は、エンジン３、第１電気モータ１０及び第２電気モータ２０と、これらの動力源によって駆動される左右の前輪４，４などを備える。第１電気モータ１０及び第２電気モータ２０は、ギヤ機構６、差動ギヤ機構７及び左右の駆動軸８，８を介して、左右の前輪４，４に連結されている。
【０００４】
第１電気モータ１０は、径方向の内側から外側に向かって、互いに同心に配置された第１ロータ１４、第２ロータ１５及びステータ１６を有する。第２ロータ１５は、エンジン３のクランクシャフトに連結された入力軸１２と一体に回転する。周方向に配置された複数の永久磁石を有する第１ロータ１４は、出力軸１３と一体に回転する。また、第２電気モータ２０は、出力軸１３に同心に固定されたロータ２２と、ステータ２３とを有する。ロータ２２にも、永久磁石列が周方向に沿って設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００８／０１８５３９号
【特許文献２】特開２００９−２６１０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記説明したハイブリッド車両１では、図１５に示したように、第１電気モータ１０の第１ロータ１４と第２電気モータ２０のロータ２２が出力軸１３を介して連結されている。当該構成では、第１電気モータ１０、第２電気モータ２０及び出力軸１３の３つの部品が必要である。部品点数が多いと小型化が困難でありかつ製造コストを低減できないばかりか、組み立て効率の点でも好ましくない。このため、電気モータから構成される動力源の小型化又は製造コストの低減といった点では、第１ロータ１４とロータ２２が共有化された構成が望ましい。また、第１ロータ１４及びロータ２２にはそれぞれ永久磁石列が設けられているため、第１ロータ１４とロータ２２を共有化できれば、永久磁石の数を約半分に減らすこともできる。さらに、共有化したロータが有する永久磁石の数が少なければ、製造コストの低減の点ではなお良い。
【０００７】
本発明の目的は、回転軸が同心に配置された２つの可動子をそれぞれ独立に制御可能な小型かつ低コストの電動機及びその制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の電動機（例えば、実施の形態での回転機１０３）は、所定方向に並んだ複数の永久磁石（例えば、実施の形態での永久磁石５１２）で構成された磁極列を有する第１可動子（例えば、実施の形態での第１ロータ５１）と、前記所定方向に並んだ複数の第１電機子（例えば、実施の形態での電機子５３３）を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第１電機子に発生する第１電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第１電機子列を有する第１固定子（例えば、実施の形態での第１ステータ５３）と、前記磁極列と前記電機子列との間に位置し、前記第１可動子の回転軸と同心の回転軸を有し、コア部（例えば、実施の形態でのコア５２１）と該コア部よりも透磁率が低い部分が前記所定方向に交互に配置された第２可動子（例えば、実施の形態での第２ロータ５２）と、前記所定方向に並んだ複数の第２電機子（例えば、実施の形態での電機子６３３）を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第２電機子に発生する第２電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第２電機子列を有する第２固定子（例えば、実施の形態での第２ステータ５４）と、を備え、前記第１電機子磁極の数と前記コア部の数と前記永久磁石の数と前記第２電機子磁極の数との比が、１：（１＋ｍ）／２：ｍ：ｍ（但し、ｍ≠１．０）に設定され、前記第１可動子は、隣接する永久磁石の間の前記所定方向の隙間に軟磁性体（例えば、実施の形態での基体５１１）を有し、前記複数の永久磁石の各々は、前記第２固定子に電力を供給した際に発生する前記第２電機子磁極からの磁束の一部が前記第１可動子の互いに隣り合う永久磁石の間を透過して前記第１固定子の前記第１電機子列に作用するよう、径方向断面における前記所定方向の長さが設定されたことを特徴としている。
【０００９】
さらに、請求項２に記載の発明の電動機では、前記第１可動子は、当該第１可動子の外形を形成する軟磁性体の基体（例えば、実施の形態での基体５１１）と、前記複数の永久磁石とを有し、前記複数の永久磁石の各々は、前記基体の中に前記所定方向に並んで配置され、隣接する永久磁石間の隙間の寸法（例えば、実施の形態での寸法ａ）は、前記第１可動子の前記第２ステータ側の面から前記永久磁石の内周側角部までの径方向の寸法（例えば、実施の形態での寸法ｂ）よりも大きく、かつ、前記第１可動子の前記第１固定子側の面から前記永久磁石までの径方向の寸法（例えば、実施の形態での寸法ｃ）よりも大きいことを特徴としている。
【００１０】
さらに、請求項３に記載の発明の電動機の制御装置（例えば、実施の形態でのＥＣＵ１６０）では、前記第２固定子に電力を供給した際に生じる位相のずれと同位相だけ位相をずらして前記第２固定子の前記第２電機子を通電することを特徴としている。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の発明の電動機の制御装置（例えば、実施の形態でのＥＣＵ１６０）では、前記第１固定子における鎖交磁束が弱まる方向の磁束が生じるよう前記第２固定子の前記第２電機子を通電することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１〜２に記載の発明の電動機によれば、回転軸が同心に配置された２つの可動子をそれぞれ独立に制御可能な小型かつ低コストの電動機を提供できる。
請求項３に記載の発明の電動機の制御装置によれば、第１固定子において強め界磁が可能である。
請求項４に記載の発明の電動機の制御装置によれば、第１固定子において弱め界磁が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態の電動機システムの構成と回転機の軸心での断面を示す図
【図２】回転機の一部切り欠き斜視断面図
【図３】回転機の各構成要素をその周方向に展開した図
【図４】第１ロータ５１の径方向の寸法と隣接する永久磁石５１２間の隙間の寸法を示す図
【図５】永久磁石５１２の内周側角部に丸みがある場合の寸法ｂを示す図
【図６】「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」の条件を満たす場合の第２ステータ５４からの界磁磁束の流れを示す図
【図７】「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」の条件を満たさない場合の第２ステータ５４からの界磁磁束の流れを示す図
【図８】第１ステータ５３及び第２ステータ５４のどちらも通電していない状態での第１ステータ５３に作用する磁束分布の一例と各相における鎖交磁束数の位相変化を示す図
【図９】第２ステータ５４のみに通電した状態での第１ステータ５３に作用する磁束分布の一例と各相における鎖交磁束数の位相変化を示す図
【図１０】２つの状態における第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束数の各位相変化を示す図
【図１１】図７に示した構成時の、２つの状態における第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束数の各位相変化を示す図
【図１２】他の実施形態の電動機システムの構成と回転機の軸心での断面を示す図
【図１３】図１２に示した形態において、「Ａ＞ＢかつＡ＞Ｃ」の条件を満たす場合の第２ステータ５４からの界磁磁束の流れを示す図
【図１４】ＥＣＵ１６０の内部構成、及び第１ＰＤＵ、第２ＰＤＵ及び回転機１０３との関係を示すブロック図
【図１５】特許文献１のハイブリッド車両１の駆動系の概略構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
本発明の実施形態の電動機システム及び当該電動機システムに設けられる回転機について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、一実施形態の電動機システムの構成と回転機の軸心での断面を示す図である。図２は、回転機の一部切り欠き斜視断面図である。図３は、回転機の各構成要素をその周方向に展開した図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態の電動機システムは、回転機１０３（本発明の電動機に相当する）と、回転機１０３の動作制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit，本発明の制御装置に相当する）１６０と、インバータ回路を含む駆動回路である第１ＰＤＵ（Power Drive Unit）１１０及び第２ＰＤＵ１２０と、バッテリ１１１とを備えている。
【００１７】
ＥＣＵ１６０は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，インターフェース回路等を含む電子回路ユニットであり、予め実装された回転機１０３の制御用プログラムをＣＰＵで実行することによって、回転機１０３の動作制御を行う。なお、ＥＣＵ１６０による回転機１０３の動作制御は、ＥＣＵ１６０が第１ＰＤＵ１１０及び第２ＰＤＵ１２０の各々を制御することによって行われる。すなわち、第１ＰＤＵ１１０及び第２ＰＤＵ１２０は、ＥＣＵ１６０からの指令値に応じて、インバータを構成するスイッチング素子をＰＷＭ制御によりスイッチングする。
【００１８】
図１及び図２に示すように、回転機１０３は、そのハウジング１０６内に回転自在に支承された第１ロータ５１（本発明の第１可動子に相当する）、及び第２ロータ（本発明の第２可動子に相当する）５２を同軸心に備えている。なお、軸心側を内側、ハウジング１０６側を外側とすると、第１ロータ５１は内側、第２ロータ５２は外側に設けられている。
【００１９】
また、回転機１０３のハウジング１０６内には、第１ステータ５３（本発明の第１固定子に相当する）及び第２ステータ５４（本発明の第２固定子に相当する）が設けられている。第１ステータ５３は、第２ロータ５２に対向して第２ロータ５２の外側に配置され、ハウジング１０６に固定されている。第２ステータ５４は、第１ロータ５１に対向して第１ロータ５１の内側に配置され、ハウジング１０６に固定されている。
【００２０】
第１ロータ５１及び第２ロータ５２は、第２ステータ５４と第１ステータ５３の間に、隣り合うロータ又はステータと非接触状態で回転するように配置されている。そのため、第２ステータ５４、第１ロータ５１、第２ロータ５２、及び第１ステータ５３は、この順に同心円状に配置されている。
【００２１】
なお、以下では、特にことわらない限り、「周方向」は回転機１０３の軸心周り方向を意味し、「軸心方向」は第１ロータ５１及び第２ロータ５２の各回転軸の軸心方向を意味するものとする。
【００２２】
以下、第１ステータ５３について説明する。第１ステータ５３は、第１ロータ５１及び第２ロータ５２に対して作用させる回転磁界を発生する複数の電機子５３３を有し、複数の鋼板を積層して円筒状に形成された鉄芯（電機子鉄芯）５３１と、この鉄芯５３１の内周面部に装着された３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）分のコイル（電機子巻線）５３２とを備えている。鉄芯５３１はハウジング１０６に固定されている。
【００２３】
Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のコイル５３２は、各コイル５３２と鉄芯５３１とにより個々の電機子５３３を構成している。これらのＵ，Ｖ，Ｗの３相分のコイル５３２は、周方向に並ぶようにして鉄芯５３１に装着されている（図３参照）。これにより、複数（３の倍数個）の電機子５３３を周方向に並べた電機子列が構成されている。
【００２４】
この電機子列の３相分のコイル５３２は、３相の交流電流を通電したときに、鉄芯５３１の内周面部に、周方向に等間隔で並び、且つ周方向に回転する複数（偶数）の電機子磁極が発生するように配列されている。この電機子磁極の列は、周方向で、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶ配列（互いに隣り合う任意の２つの電機子磁極が異なる極性となる配列）である。第１ステータ５３は、この電機子磁極列の回転によって、鉄芯５３１の内側に回転磁界を発生するものである。
【００２５】
３相分のコイル５３２は、第１ＰＤＵ１１０を介してバッテリ１１１に接続され、第１ＰＤＵ１１０を介してコイル５３２とバッテリ１１１との間の電力の授受（コイル５３２に対する電気エネルギーの入出力）が行われる。そして、ＥＣＵ１６０により、第１ＰＤＵ１１０を介してコイル５３２の通電を制御することによって、回転磁界の発生形態（回転磁界の回転速度や磁束強度）を制御することができる。
【００２６】
次に、第１ロータ５１について説明する。図３に示したように、第１ロータ５１は、軟磁性体から成る円筒状の基体５１１と、基体５１１の中に挿入された複数（偶数）の永久磁石（磁石磁極，本発明の磁極に相当する）５１２とを備えている。基体５１１は、例えば鉄板又は鋼板を積層して第１ロータ５１の外形を形成する。また、基体５１１は、永久磁石５１２を挿入するための磁石挿入穴を形成している。
【００２７】
また、第１ロータ５１の複数の永久磁石５１２は、周方向に等間隔で配列されている。この永久磁石５１２の配列によって、第１ロータ５１には、第１ステータ５３の鉄芯５３１の内周面部に対向して周方向に並ぶ複数の磁極からなる磁極列が構成されている。この場合、図３中の（Ｎ），（Ｓ）で示したように、周方向で互いに隣り合う２つの永久磁石５１２，５１２の外表面部（第１ステータ５３の鉄芯５３１の内周面部に対応する面部）の磁極は、互いに異なる磁性の磁極となっている。すなわち、第１ロータ５１の複数の永久磁石５１２の配列によって、第１ロータ５１の外周面部に形成される磁極列は、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶ配列となっている。
【００２８】
なお、第１ロータ５１の基体５１１及び永久磁石５１２の軸心方向の長さは、第１ステータ５３の鉄芯５３１の軸心方向の長さと同程度とされている。
【００２９】
次に、第２ロータ５２について説明する。第２ロータ５２は、軟磁性体から成る複数のコア５２１（本発明のコア部に相当する）を備えている。軟磁性体列を構成する複数のコア５２１は、コア５２１よりも透磁率が低い部分５２２を挟んで周方向に等間隔で配列されている。各コア５２１は、例えば複数の鋼板を積層して形成されている。
【００３０】
なお、各コア５２１の軸心方向の長さは、第１ステータ５３の鉄芯５３１の軸心方向の長さと同程度とされている。
【００３１】
以下、第１ステータ５３、第１ロータ５１及び第２ロータ５２の磁極の関係について説明する。回転機１０３の第１ステータ５３の電機子磁極の個数をｐ、第２ロータ５２の軟磁性体のコア５２１の個数をｑ、第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）をｒとしたときに、これらのｐ，ｑ，ｒは、以下の式（１）の関係を満たすように設定されている。
【００３２】
【数１】
2013198326.tif 000003
【００３３】
但し、ｍ≠１。なお、ｐ，ｒは偶数であり、ｍは正の有理数である。
【００３４】
この場合、例えば、ｐ＝４、ｑ＝６、ｒ＝８、ｍ＝２に設定すれば、上記式（１）の関係が満たされる。
【００３５】
以上のように回転機１０３の第１ステータ５３の電機子磁極の個数ｐと、第２ロータ５２のコア５２１の個数ｑと、第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）ｒとが、上記式（１）の関係を満たすように構成された回転機１０３では、第１ロータ５１及び第２ロータ５２の両方又は一方の回転時に、第１ロータ５１の磁極から第２ロータ５２のコア５２１を経由して第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する磁束（鎖交磁束）の時間的変化率ｄΨu／dt，ｄΨv／dt，ｄΨw／dt（但し、ΨuはＵ相、ΨvはＶ相、ΨwはＷ相の各コイルに作用する鎖交磁束）は、以下の式（２）、式（３）、式（４）により表される。
【００３６】
【数２】
2013198326.tif 000004
【００３７】
【数３】
2013198326.tif 000005
【００３８】
【数４】
2013198326.tif 000006
【００３９】
但し、Ψf：第１ロータ５１の磁極の磁束の最大値、θe2：第１ステータ５３の３相コイル５３２のうちの１つの基準コイル（例えば、Ｕ相のコイル）に対する第２ロータ５２の電気角度位置、ωe2：第２ロータ５２の電気角速度、θe1：上記基準コイルに対する第１ロータ５１の電気角度位置、ωe1：第１ロータ５１の電気角速度。
【００４０】
なお、上記式（２）〜式（４）では、第１ロータ５１の１つの磁極が上記基準コイルに対向する状態でのθe1の値を“０”とし、第２ロータ５２の１つのコア５２１が上記基準コイルに対応する状態でのθe2の値を“０”としている。また、上記“電気角度”は、機械角に電機子磁極の極対数（Ｎ極及びＳ極の対の個数（＝ｐ／２））を乗じた角度を意味する。
【００４１】
この場合、第１ロータ５１の磁極から、第２ロータ５２のコア５２１を経由せずに直接的に各コイル５３２に作用する磁束は、コア５２１を経由する磁束に対して微小であるので、上記式（２）〜式（４）のｄΨu／dt，ｄΨv／dt，ｄΨw／dtは、第１ステータ５３に対する第１ロータ５１や第２ロータ５２の回転に伴って、各相のコイル５３２に発生する逆起電力（誘起電圧）を表すものとなる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、第１ステータ５３のコイル５３２の通電によって発生する回転磁界の磁束ベクトルの回転角度位置θmf（電気角での回転角度位置）と、その時間的変化率（微分値）である角速度ωmf（電気角速度）とが、それぞれ、以下の式（５），式（６）の関係を満たすように、第１ステータ５３のコイル５３２の通電電流をＥＣＵ１６０により第１ＰＤＵ１１０を介して制御する。
【００４３】
【数５】
2013198326.tif 000007
【００４４】
但し、θmf：回転磁界の磁束ベクトルの回転角度位置、θe2：第２ロータ５２の電気角度位置、θe1：第１ロータ５１の電気角度位置、ｃ：電機子磁極の対極数、θ2：第２ロータ５２の機械角度位置、θ1：第１ロータ５１の機械角度位置。
【００４５】
【数６】
2013198326.tif 000008
【００４６】
但し、ωmf：回転磁界の磁束ベクトルの角速度、ωe2：第２ロータ５２の電気角速度、ωe1：第１ロータ５１の電気角速度、ｃ：電機子磁極の対極数、ω2：第２ロータ５２の機械角速度、ω1：第１ロータ５１の機械角速度。
【００４７】
上記のように、第１ステータ５３に回転磁界を発生させることにより、第１ロータ５１及び第２ロータ５２にトルクを発生させることができる。このとき、第１ステータ５３のコイル５３２への供給電力（入力電力）又はコイル５３２からの出力電力を、回転磁界の電気角での角速度ωmfで除したものを、この回転磁界の等価トルクＴmf（以下、回転界磁等価トルクＴmfという）と定義し、第１ロータ５１に発生するトルクをＴ1、第２ロータ５２に発生するトルクをＴ2としたときに、Ｔmf，Ｔ1，Ｔ2の間には、以下の式（７）の関係が成立する。なお、ここでは、銅損、鉄損等によるエネルギー損失は無視し得る程度に微小であるとする。
【００４８】
【数７】
2013198326.tif 000009
【００４９】
上記式（６）により示される角速度の相互関係、及び上記式（７）により示されるトルクの相互関係は、シングルピニオン型の遊星歯車装置のサンギヤ，リングギヤ，キャリアの回転速度の相互関係、及びトルクの相互関係と同じ関係となる。すなわち、第１ステータ５３及び第１ロータ５１の一方がサンギヤ、他方がリングギヤに対応し、第２ロータ５２がキャリアに対応する。
【００５０】
したがって、第１ロータ５１と第１ロータ５１と第２ロータ５２の回転が、式（６）で示される共線関係を保って行われる。
【００５１】
以下、第２ステータ５４について説明する。第２ステータ５４は、第１ロータ５１に対して作用させる回転磁界を発生する複数の電機子６３３を有し、第１ステータ５３と同様に、複数の鋼板を積層して円筒状に形成された鉄芯（電機子鉄芯）６３１と、この鉄芯６３１の内周面部に装着された３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）分のコイル（電機子巻線）６３２とを備えている。鉄芯６３１はハウジング１０６に固定されている。
【００５２】
Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のコイル６３２は、各コイル６３２と鉄芯６３１とにより個々の電機子６３３を構成している。これらのＵ，Ｖ，Ｗの３相分のコイル６３２は、周方向に並ぶようにして鉄芯６３１に装着されている（図３参照）。これにより、複数（３の倍数個）の電機子６３３を周方向に並べた電機子列が構成されている。
【００５３】
この電機子列の３相分のコイル６３２は、３相の交流電流を通電したときに、鉄芯６３１の内周面部に、周方向に等間隔で並び、且つ周方向に回転する複数（偶数）の電機子磁極が発生するように配列されている。この電機子磁極の列は、周方向で、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶ配列（互いに隣り合う任意の２つの電機子磁極が異なる極性となる配列）である。第２ステータ５４は、この電機子磁極列の回転によって、鉄芯６３１の内側に回転磁界を発生するものである。
【００５４】
３相分のコイル６３２は、第２ＰＤＵ１２０を介してバッテリ１１１に接続され、第２ＰＤＵ１２０を介してコイル６３２とバッテリ１１１との間の電力の授受（コイル６３２に対する電気エネルギーの入出力）が行われる。そして、ＥＣＵ１６０により、第２ＰＤＵ１２０を介してコイル６３２の通電を制御することによって、回転磁界の発生形態（回転磁界の回転速度や磁束強度）を制御することができる。
【００５５】
なお、上述したように、第２ステータ５４は第１ロータ５１に対して作用する。第１ロータ５１には、複数の永久磁石５１２が周方向に等間隔で配列されているため、第１ロータ５１には、第２ステータ５４の鉄芯６３１の外周面部に対向して周方向に並ぶ複数の磁極からなる磁極列が構成されている。第２ステータ５４の電機子列は、第２ステータ５４の電機子磁極の個数が第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）と同数となるよう構成されている。したがって、上記式（１）に第２ステータ５４の電機子磁極の個数をｓとして加えると、以下の式（８）の関係が満たされる。
【００５６】
【数８】
2013198326.tif 000010
【００５７】
ｐは第１ステータ５３の電機子磁極の個数、ｑは第２ロータ５２の軟磁性体のコア５２１の個数、ｒは第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）であり、ｐ，ｒ，ｓは偶数である。また、ｍは正の有理数であり、ｍ≠１である。
【００５８】
＜第１ロータ５１に設けられた隣接する永久磁石５１２間の隙間について＞
図２に示したように、第１ロータ５１には複数の永久磁石５１２が周方向に等間隔で配列され、隣接する永久磁石５１２の間には隙間が残る。本実施形態では、隣接する永久磁石５１２の間に所望の隙間ができるよう、永久磁石５１２の径方向断面における周方向の長さを設定している。
【００５９】
以下、本実施形態における第１ロータ５１の径方向の寸法と当該隙間との関係について説明する。図４は、第１ロータ５１の径方向の寸法と隣接する永久磁石５１２間の隙間の寸法を示す図である。図４に示すように、隣接する永久磁石５１２間の隙間の寸法を「ａ」、第１ロータ５１の内周面から永久磁石５１２の内周側角部までの径方向の寸法を「ｂ」、第１ロータ５１の外周面から永久磁石５１２までの径方向の寸法を「ｃ」とする。なお、図５に示すように、永久磁石５１２の内周側角部に丸みがある場合、寸法ｂは、第１ロータ５１の内周面から永久磁石５１２の角部に最も近い内周側底面までの長さである。図５は、永久磁石５１２の内周側角部に丸みがある場合の寸法ｂを示す図である。
【００６０】
第１ロータ５１の上記寸法が「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」の条件を満たす場合、図６に示すように、第２ステータ５４からの界磁磁束の一部は永久磁石５１２間の隙間を透過して第２ロータ５２を介して第１ステータ５３に流れ込む。その結果、第１ステータ５３は強め界磁される。図６は、「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」の条件を満たす場合の第２ステータ５４からの界磁磁束の流れを示す図である。なお、当該条件を満たさないときの第２ステータ５４からの界磁磁束は、図７に示すように、全て永久磁石５１２Ａに流れ込む。図７は、「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」の条件を満たさない場合の第２ステータ５４からの界磁磁束の流れを示す図である。
【００６１】
なお、寸法ｂが０（ｂ＝０）のとき、第２ステータ５４からの界磁磁束の一部が永久磁石５１２間の隙間を透過する条件は「ａ＞ｃ」である。また、寸法ｃが０（ｃ＝０）のとき、第２ステータ５４からの界磁磁束の一部が永久磁石５１２間の隙間を透過する条件は「ａ＞ｂ」である。さらに、寸法ｂ，ｃが０（ｂ＝ｃ＝０）のとき、第２ステータ５４からの界磁磁束の一部が永久磁石５１２間の隙間を透過する条件は「ａ＞０」である。
【００６２】
次に、本実施形態の回転機１０３において、第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、第１ステータ５３及び第２ステータ５４のどちらも通電していない状態での第１ステータ５３に作用する磁束分布の一例と各相における鎖交磁束数の位相変化を示す図である。また、図９は、第２ステータ５４のみに通電した状態での第１ステータ５３に作用する磁束分布の一例と各相における鎖交磁束数の位相変化を示す図である。
【００６３】
第１ステータ５３及び第２ステータ５４のどちらも通電していない状態では、図８に一点鎖線で示すように、第１ロータ５１の永久磁石５１２からの磁束が第１ステータ５３に作用する。一方、第２ステータ５４のみに通電した状態では、図９に一点鎖線で示す第１ロータ５１の永久磁石５１２からの磁束に加えて、図９に二点鎖線で示す第２ステータ５４からの界磁磁束の一部も第１ステータ５３に作用する。このため、図８に示した状態と比較して、第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束数の実効値は上がる。但し、各相における位相は進む。
【００６４】
図１０は、これら２つの状態における第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束数の各位相変化を示す図である。図１０に示す実線の位相変化は第１ステータ５３及び第２ステータ５４のどちらも通電していない場合であり、点線の位相変化は第２ステータ５４のみに通電した場合である。なお、図７に示した「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」の条件を満たさない場合では、図７に示したように、第２ステータ５４からの界磁磁束が第１ロータの永久磁石５１２Ａに流れ込む。このため、図１１に示すように、これら２つ状態における第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束は変わらない。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態によれば、第２ステータ５４を通電した際に発生する界磁磁束の一部が第１ステータ５３に流れ込むよう、第１ロータ５１の永久磁石５１２の径方向断面における周方向の長さが上記説明した「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」の条件を満たす寸法に設定されている。このため、図７に示した当該条件を満たさない場合と比較して、第１ロータ５１に設ける複数の永久磁石５１２の総量を減らすことができる。
【００６６】
また、周方向で互いに隣り合う永久磁石５１２間の隙間の寸法ａは上記条件「ａ＞ｂかつａ＞ｃ」を満たすため、第２ステータ５４を通電して得られる第２ステータ５４からの界磁磁束の一部が当該隙間を透過することで、第１ステータ５３に対して強め界磁を行うことができる。すなわち、第２ステータ５４を通電して、第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束数を増やすことができる。このため、第１ロータ５１に設けられる永久磁石の総量が少なくても、上記強め界磁によって第１ステータ５３での鎖交磁束数を所望のレベルまで増やすことができる。
【００６７】
また、第１ステータ５３及び第２ステータ５４のどちらも通電していない状態では、第１ロータ５１の永久磁石５１２から第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束数が少ない。このため、第１ロータ５１の回転軸が車両の駆動輪に連結されている場合、無負荷運転中の引き摺り損失を低減できる。その結果、当該電動機システムを備えた車両の燃費を向上できる。
【００６８】
本実施形態では、回転機１０３を構成する第２ステータ５４、第１ロータ５１、第２ロータ５２及び第１ステータ５３が、この順に同心円状に配置された構造（径方向配置構造）である。但し、この構成に限らず、図１２に示すように、第２ステータ５４、第１ロータ５１、第２ロータ５２及び第１ステータ５３が、この順に軸心方向に間隔を空けて配置された構成（軸心方向配置構造）であっても良い。軸心方向配置構造であっても、第１ロータ５１の隣接する永久磁石５１２間の寸法を「Ａ」、第１ロータ５１の第２ステータ５４側の面から永久磁石５１２の内周側角部までの軸方向の寸法を「Ｂ」、第１ロータ５１の第２ロータ５２側の面から永久磁石５１２までの軸方向の寸法を「Ｃ」としたとき、図１３に示した寸法Ａ，Ｂ，Ｃは条件「Ａ＞ＢかつＡ＞Ｃ」を満たすよう構成されている。
【００６９】
なお、径方向配置構造の場合は、回転機１０３の出力を各ロータの積厚によって調整することができる。すなわち、電磁部の断面形状が同じでも積厚が異なるロータであれば、回転機１０３のトルク及び出力は異なる。また、ロータの積厚方向の拡大は、構造強度的に容易であり、大トルクが得られる。
【００７０】
一方、軸心方向配置構造の場合は、軸構成がシンプルであり、入出力軸を図４に示す右方向へも左方向へも延ばすことができる。ｋのため、回転機１０３のレイアウトが容易である。また、ステータを外形側に露出できるため、ステータへの配電が容易である。また、単位体積当たりのトルク発生面積を大きく設計できるため、高いトルク密度及び出力密度が可能である。さらに、軸のオーバハングが無く、軸部材を軽量化できるため、回転機１０３の薄型化が可能である。当該回転機１０３は、車両の挟み込みモータとして設置する際に有用である。
【００７１】
次に、図１４を参照して、ＥＣＵ１６０の内部構成と各構成要素の動作について説明する。図１４は、ＥＣＵ１６０の内部構成、及び第１ＰＤＵ、第２ＰＤＵ及び回転機１０３との関係を示すブロック図である。
【００７２】
図１４に示すように、ＥＣＵ１６０は、電気角度変換部２０１と、電気角速度算出部２０３と、３相／ｄｑ変換部２０５と、電流指令決定部２０７と、減算部２０９ｄ，２０９ｑと、電流制御部２１１と、ｄｑ／３相変換部２１３とから構成される組を２つ有する。２つの組の内、一方は第１ＰＤＵ１１０に指令値Vu_c1,Vv_c1,Vw_c1を送り、他方は第２ＰＤＵ１２０に指令値Vu_c2,Vv_c2,Vw_c2を送る。以下の説明で各符号の最後尾に付される数字１は、第１ＰＤＵ１１０の制御に関する構成要素又はパラメータであることを示す。同様に、数字２は、第２ＰＤＵ１２０の制御に関する構成要素又はパラメータであることを示す。なお、第１ＰＤＵ１１０の制御及び第２ＰＤＵ１２０の制御に共通する構成要素及び動作に関しては、数字１，２を省略して説明する。
【００７３】
ＥＣＵ１６０には、アクセルペダル開度及び車速等に基づくトルク指令値Tr_c1,Tr_c2が入力される。さらに、ＥＣＵ１６０には、回転位置センサによって検出された、回転機１０３の第１ロータ５１の機械角度位置θ１及び第２ロータ５２の機械角度位置θ２と、相電流センサによって検出された、第１ＰＤＵ１１０から第１ステータ５３に出力されたｕ相電流Iu_s1及びｗ相電流Iw_s1の各検出値、並びに、第２ＰＤＵ１２０から第２ステータ５４に出力されたｕ相電流Iu_s2及びｗ相電流Iw_s2の各検出値が入力される。
【００７４】
電気角度変換部２０１は、第１ロータ５１の機械角度位置θ１及び第２ロータ５２の機械角度位置θ２に基づいて、回転機１０３における回転磁界の磁束ベクトル回転角度位置θｍｆを算出する。なお、回転磁界の磁束ベクトル回転角度位置θｍｆは電気角度を示す。
【００７５】
電気角速度算出部２０３は、電動機１０３における回転磁界の磁束ベクトル回転角度位置θｍｆを時間微分することによって、磁束ベクトル回転角速度ωｍｆを算出する。電気角速度算出部２０３が算出した磁束ベクトル回転角速度ωｍｆは、電流制御部２１１に入力される。
【００７６】
３相／ｄｑ変換部２０５は、対応するＰＤＵから出力されたｕ相電流Iu_s及びｗ相電流Iw_sの各検出値と、電気角度変換部２０１が算出した磁束ベクトル回転角度位置θｍｆとに基づいて３相／ｄｑ変換を行って、ｄ軸電流Id_s及びｑ軸電流Iq_sの各検出値を算出する。
【００７７】
電流指令決定部２０７は、対応するＰＤＵを介してステータに供給するｄ軸電流及びｑ軸電流の各指令値Id_c,Iq_cを、トルク指令値Tr_cと、他方の電流指令決定部２０７が決定した指令値Id_c,Iq_cとに基づいて決定する。すなわち、電流指令決定部２０７は、相互の状況を監視しながらｄ軸電流及びｑ軸電流の各指令値Id_c,Iq_cを決定する。電流指令決定部２０７が決定したｄ軸電流の指令値Id_cは、他方の電流指令決定部２０７及び減算部２０９ｄに入力される。また、電流指令決定部２０７が決定したｑ軸電流の指令値Iq_cは、他方の電流指令決定部２０７及び減算部２０９ｑに入力される。
【００７８】
減算部２０９ｄは、ｄ軸電流の指令値Id_cと検出値Id_sの偏差ΔIdを算出する。また、減算部２０９ｑは、ｑ軸電流の指令値Iq_cと検出値Iq_sの偏差ΔIqを算出する。
【００７９】
電流制御部２１１は、ｄ軸電流の指令値Id_cと検出値Id_sの偏差ΔId及びｑ軸電流の指令値Iq_cと検出値Iq_sの偏差ΔIqが減少するよう、当該偏差ΔId,ΔIqと、電気角速度算出部２０３が算出した磁束ベクトル回転各速度ωｍｆとに基づいて、対応するＰＤＵを介してステータに印加するｄ軸電圧の指令値Vd_c及びｑ軸電圧の指令値Vq_cを決定する。
【００８０】
ｄｑ／３相変換部２１３は、電流制御部２１１によって決定されたｄ軸電圧の指令値Vd_c及びｑ軸電圧の指令値Vq_cと、電気角度変換部２０１が算出した磁束ベクトル回転角度位置θｍｆとに基づいてｄｑ／３相変換を行って、対応するＰＤＵを介してステータに印加する３相電圧Vu,Vv,Vwの各指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cを算出する。ｄｑ／３相変換部２１３が算出した３相電圧の各指令値Vu_c,Vv_c,Vw_cは、対応するＰＤＵに入力される。
【００８１】
次に、本実施形態の電動機システムが備えるＥＣＵ１６０による回転機１０３の第１ステータ５３に対する強め界磁時の制御及び弱め界磁時の制御について説明する。
【００８２】
図８に示した第２ステータ５４に通電していないときの第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する鎖交磁束に対して、図９に示した第２ステータ５４に通電しているときの同鎖交磁束は、振幅が増し位相は進む。本実施形態では、ＥＣＵ１６０の電流指令決定部２０７は相互の状態を監視して、第２ステータ５４への通電を制御すれば、第１ステータ５３に対する強め界磁又は弱め界磁を行うことができる。
【００８３】
例えば、上記位相の進角と同位相だけ位相を進めて第２ステータ５４を通電することで第１ステータ５３において強め界磁が行われ、第１ロータ５１及び第２ロータ５２は第２ステータ５４の無通電時よりも大きなトルクを発生することができる。また、第２ステータ５４の各相のコイル６３２に上位鎖交磁束が弱まる方向の磁束が生じるよう第２ステータ５４を通電することで第１ステータ５３において弱め界磁が行われ、第１ロータ５１及び第２ロータ５２は第２ステータ５４の無通電時よりも小さなトルクを発生することができる。
【符号の説明】
【００８４】
５１  第１ロータ
５２  第２ロータ
５３  第１ステータ
５４  第２ステータ
１０３  回転機
１０６  ハウジング
１１０  第１ＰＤＵ
１１１  バッテリ
１２０  第２ＰＤＵ
１６０  ＥＣＵ
５１１  基体
５１２  永久磁石
５２１  コア（軟磁性体）
５３１，６３１  鉄芯
５３２，６３２  コイル
５３３，６３３  電機子
２０１  電気角度変換部
２０３  電気角速度算出部
２０５  ３相／ｄｑ変換部
２０７  電流指令決定部
２０９ｄ，２０９ｑ  減算部
２１１  電流制御部
２１３  ｄｑ／３相変換部
【図１】
2013198326.tif 000011
【図２】
2013198326.tif 000012
【図３】
2013198326.tif 000013
【図４】
2013198326.tif 000014
【図５】
2013198326.tif 000015
【図６】
2013198326.tif 000016
【図７】
2013198326.tif 000017
【図８】
2013198326.tif 000018
【図９】
2013198326.tif 000019
【図１０】
2013198326.tif 000020
【図１１】
2013198326.tif 000021
【図１２】
2013198326.tif 000022
【図１３】
2013198326.tif 000023
【図１４】
2013198326.tif 000024
【図１５】
2013198326.tif 000025